湯勁松, 尹崇宏, 馬 飛, 楊 磊, 司志強(qiáng), 畢海權(quán)
(1 中車青島四方車輛研究所有限公司, 山東青島 266031;2 中車唐山機(jī)車車輛有限公司, 河北唐山 064000;3 西南交通大學(xué), 成都 610031)
目前高速列車的制動(dòng)系統(tǒng)主要由牽引電機(jī)再生制動(dòng)和利用機(jī)械摩擦作用的盤形制動(dòng)構(gòu)成。這些制動(dòng)方式的基本思路都是將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能或熱能,并將其吸收或逸散出去[1-2]。
當(dāng)緊急制動(dòng)發(fā)生時(shí),列車應(yīng)發(fā)揮全部的再生制動(dòng)力,不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。在列車經(jīng)過無電區(qū)間或電制動(dòng)發(fā)生故障時(shí),空氣制動(dòng)是最后的安全保障。因此,在純空氣制動(dòng)工況下仍必須保證高速列車符合緊急制動(dòng)距離的要求停車。
隨著列車運(yùn)行速度提高,不依賴輪軌間黏著的非黏著制動(dòng)方式越來越受到人們的重視。非黏著制動(dòng)是指不依賴于車輛與鋼軌接觸而產(chǎn)生的黏著力而完成制動(dòng)的方式,包括磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)和風(fēng)阻制動(dòng)等。相對(duì)磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng),風(fēng)阻制動(dòng)裝置質(zhì)量較輕,結(jié)構(gòu)簡單,在高速段制動(dòng)效果尤其明顯。因此,作為高速列車黏著制動(dòng)的補(bǔ)充,風(fēng)阻制動(dòng)是一種非常合理的制動(dòng)方式。
國外目前對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用研究主要在日本的有關(guān)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行。吉春等[3]最早開發(fā)了應(yīng)用于宮崎試驗(yàn)線500 km/h速度MLU002N型磁浮列車的風(fēng)阻制動(dòng)裝置,該風(fēng)阻制動(dòng)裝置的打開利用了彈簧裝置,單向開啟且只能手動(dòng)關(guān)閉,其從接到開啟指令電信號(hào)到制動(dòng)板開至垂直位置的總時(shí)間為1.5 s。Masafumi等[4]通過空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算和機(jī)構(gòu)優(yōu)化,在山梨試驗(yàn)線上設(shè)計(jì)了一型新的風(fēng)阻制動(dòng)裝置,其采用液壓開啟兩型不同的制動(dòng)板,動(dòng)作時(shí)間約為2 s,試驗(yàn)結(jié)果表明,在500 km/h 工況下,當(dāng)6套風(fēng)阻制動(dòng)裝置全開時(shí)可提供約0.2 m/s2的制動(dòng)減速度。2005年JR東日本公司與川崎重工公司共同開發(fā)了安裝在 E954/E955系列試驗(yàn)電動(dòng)車上的“貓耳朵”型空氣動(dòng)力制動(dòng)裝置,并驗(yàn)證了在原有的線路上運(yùn)行時(shí)地面設(shè)備與列車走行穩(wěn)定性均無問題。該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置在以360 km/h的初速開始進(jìn)行高減速度緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí),達(dá)到了縮短停車距離300 m 的效果[5]。除了研究風(fēng)阻制動(dòng)對(duì)車輛穩(wěn)定性和地面設(shè)備的影響外,該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置還在風(fēng)洞進(jìn)行了模擬飛鳥撞擊和翼板強(qiáng)度等試驗(yàn)。近年來,日本鐵道總研(RTRI)高見創(chuàng)[6]又針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)阻制動(dòng)方式開啟慢、占用空間大、質(zhì)量重等缺點(diǎn),開發(fā)了基于E954型試驗(yàn)車的小型分散式風(fēng)阻制動(dòng)裝置。該裝置能做到雙向開啟,經(jīng)樣機(jī)實(shí)測(cè)開啟時(shí)間小于0.1 s,根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果的估算表明,在300 km/h運(yùn)行速度條件下,根據(jù)風(fēng)阻制動(dòng)裝置在車頂不同的布置情況,明線上能夠提供0.178~0.286 m/s2的制動(dòng)減速度。此外,日本研制的實(shí)驗(yàn)性超導(dǎo)磁懸浮列車(包括MLU001、MLU002N、MLX01型列車)亦設(shè)有風(fēng)阻制動(dòng)裝置,作為列車行駛時(shí)發(fā)生電源故障的非接觸式緊急制動(dòng)。
國內(nèi)對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)的技術(shù)應(yīng)用研究由同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司、上海龐豐交通設(shè)備科技有限公司共同展開,研制了采用液壓驅(qū)動(dòng)的多檔位高速列車風(fēng)阻制動(dòng)裝置。吳萌嶺,田春等[7-12]進(jìn)一步對(duì)風(fēng)阻制動(dòng)的基本原理、翼型、車頂布置等進(jìn)行大量的仿真計(jì)算分析。2012年6月該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置在我國更高速度試驗(yàn)列車上裝車,并于2014年在滬昆線南昌段完成了速度350 km/h等多種工況的線路運(yùn)行試驗(yàn)。
圖1 新干線風(fēng)阻制動(dòng)安裝實(shí)例[6]
介紹了一種新型高速列車“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置,適用于設(shè)計(jì)中的400 km/h高速列車緊急制動(dòng)工況。該風(fēng)阻制動(dòng)裝置利用連桿和鉸接結(jié)構(gòu)將風(fēng)板的動(dòng)作與軌道上滑塊的運(yùn)動(dòng)結(jié)合起來,通過風(fēng)阻力將風(fēng)板快速完全打開,并能依靠自身電機(jī)將風(fēng)阻板回收關(guān)閉。“蝶式”風(fēng)阻制動(dòng)裝置充分利用風(fēng)阻,除輔助電機(jī)外,整個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置多為機(jī)械結(jié)構(gòu),安全可靠且方便更換維修。
下文將首先闡釋風(fēng)阻制動(dòng)技術(shù)的基本原理,然后從基本機(jī)構(gòu)、強(qiáng)度模態(tài)和制動(dòng)力評(píng)估等3個(gè)方面對(duì)“蝶式”風(fēng)阻制動(dòng)裝置進(jìn)行分析介紹。
風(fēng)阻制動(dòng)裝置有很多種形式,但其基本原理均是利用列車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣阻力提供制動(dòng)力。
當(dāng)物體與周圍的空氣產(chǎn)生相對(duì)速度時(shí),滿足空氣阻力公式:
(1)
式中:C為空氣阻力系數(shù),其數(shù)值大小和物體的迎風(fēng)面積、表面粗糙度和形狀相關(guān),通常由試驗(yàn)測(cè)得;ρ為空氣密度;S為迎風(fēng)面積;v為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。
根據(jù)式(1)進(jìn)行拓展,可以得到列車風(fēng)阻制動(dòng)能實(shí)現(xiàn)的減速度β,m/s2:
(2)
其中,C0為單塊風(fēng)阻制動(dòng)板設(shè)置在車頂時(shí)的阻力系數(shù);n為列車車頂布置的阻力板總數(shù);Cd1(i)為迎風(fēng)向從前往后第i塊阻力板的直接干涉系數(shù);Cd2為隧道系數(shù);M為列車質(zhì)量。
由式(2)可知,列車運(yùn)行速度越高,其產(chǎn)生的制動(dòng)減速度越大,且與速度成二次方指數(shù)增長。
根據(jù)日本鐵道總研相關(guān)技術(shù)人員的評(píng)估,在速度400 km/h時(shí),風(fēng)阻制動(dòng)提供的減速度和盤形制動(dòng)提供的制動(dòng)減速度已經(jīng)非常接近。
圖2 高速列車緊急制動(dòng)減速度[6]
在評(píng)估影響風(fēng)阻制動(dòng)效果的因素時(shí),除了式(2)中的各個(gè)參數(shù)外,還必須考慮列車邊界層厚度和風(fēng)阻制動(dòng)板后方卡門渦街等因素對(duì)制動(dòng)力的影響。
邊界層厚度δ是指從邊界層壁面開始,到沿著壁面切向的流動(dòng)速度達(dá)到自由來流速度的99%的位置的垂直于壁面的高度,即由式(3)定義:
u(δ)=0.99u0
(3)
其中,u0為流體在不受黏滯力影響的自由速度。假設(shè)列車運(yùn)行過程中外流場(chǎng)不可壓縮,則依據(jù)邊界層理論積分可得列車邊界層厚度δ如式(4):
(4)
當(dāng)列車高速運(yùn)行時(shí),從車頭開始會(huì)產(chǎn)生沿車長方向逐漸增厚的邊界層。通常情況下,最大邊界層厚度出現(xiàn)在中間車附近,保持在1 m左右的量級(jí)[6]。在風(fēng)阻制動(dòng)裝置的實(shí)際設(shè)計(jì)中,由于裝置的高度主要受到列車限界的影響,制動(dòng)板起作用的區(qū)域主要在列車邊界層厚度內(nèi),因此其產(chǎn)生的阻力較自由氣流中放置時(shí)要有所減小。
此外,風(fēng)阻板的設(shè)計(jì)還需要考慮卡門渦街產(chǎn)生的交替瀉渦影響。在風(fēng)阻制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)中,風(fēng)阻板迎風(fēng)面的長寬比l/h應(yīng)至少大于1。
在風(fēng)阻制動(dòng)裝置整車布局的設(shè)計(jì)中,雖然增加風(fēng)阻板面積和數(shù)量可提高風(fēng)阻制動(dòng)的制動(dòng)力,但同時(shí)也會(huì)受到車輛限界和車內(nèi)空間的制約,且由于風(fēng)阻板之間互相存在干擾,增加數(shù)量帶來的邊際效用會(huì)發(fā)生遞減,這也是風(fēng)阻制動(dòng)在設(shè)計(jì)上需要考慮到的問題。
針對(duì)以上問題,在風(fēng)阻制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)過程中,文中基于商業(yè)軟件STAR-CCM+平臺(tái),采用其中k-ε兩方程RANS模型,對(duì)風(fēng)阻制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)過程中的尺寸、開啟角度、安裝位置、干擾效應(yīng)等進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)仿真分析??紤]到實(shí)尺度計(jì)算中邊界層較薄的情況,采用了相對(duì)較小的第一層網(wǎng)格厚度來捕捉黏性力。速度壓力耦合采用PISO算法[13]求解。
“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置的基本尺寸由列車限界、列車橫截面布置、車內(nèi)空調(diào)風(fēng)道等因素確定。風(fēng)阻制動(dòng)裝置的安裝基座凹入車體,最大厚度為100 mm。風(fēng)阻板關(guān)閉時(shí)兩端邊緣處有輕微弧度,保持與車體上表面平齊,從而保證正常行駛時(shí)車頂按照的風(fēng)阻制動(dòng)裝置不帶來額外的阻力增加。風(fēng)阻制動(dòng)板尺寸為(1 272×378) mm,按照75°角打開時(shí)制動(dòng)板迎風(fēng)面高度為365 mm?!暗巍憋L(fēng)阻制動(dòng)裝置有兩塊對(duì)稱布置的風(fēng)阻板和相應(yīng)內(nèi)部機(jī)構(gòu),安裝在同一塊固定基座上。
“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置基本尺寸如圖3所示。
圖3 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置基本尺寸
圖4 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)示意
“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置的基本機(jī)構(gòu)如圖4所示,其主要部件包含弧形制動(dòng)板、底部框架、風(fēng)板轉(zhuǎn)軸、拉桿、電機(jī)、制動(dòng)器、減速器、安全離合器、液壓緩沖器、直線導(dǎo)軌、滑塊、電插鎖、限位開關(guān)等。
整個(gè)機(jī)構(gòu)制動(dòng)板起始位置為制動(dòng)板與機(jī)身貼合位置如圖5(a),極限位置為張開75°的位置如圖5(b),根據(jù)三維建模的尺寸測(cè)繪與定位可知:導(dǎo)軌上滑塊的行程為122 mm。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖如圖5所示。
圖5 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖
根據(jù)高速列車風(fēng)阻制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)特點(diǎn),主要采用二階四面體單元進(jìn)行模擬,單元大小約為5 mm。銷軸采用梁單元模擬,螺栓連接處采用耦合約束進(jìn)行簡化,電機(jī)質(zhì)量采用質(zhì)量單元模擬。整個(gè)有限元模型共有單元668 531個(gè),節(jié)點(diǎn)173 168個(gè),有限元模型見圖6(a)。
經(jīng)計(jì)算分析,各工況下結(jié)構(gòu)的利用系數(shù)均小于1,利用系數(shù)最大點(diǎn)出現(xiàn)在滑塊中心軸根部區(qū)域,各工況利用系數(shù)較大的點(diǎn)主要出現(xiàn)在拉桿端部過渡區(qū)域、支撐轉(zhuǎn)軸座安裝螺栓孔與電機(jī)支座安裝孔區(qū)域。
為全面評(píng)估“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置的制動(dòng)力,對(duì)1∶1 尺度的單套風(fēng)阻制動(dòng)裝置和多套布置風(fēng)阻制動(dòng)裝置等工況進(jìn)行了計(jì)算流體力學(xué)仿真分析。
單套風(fēng)阻制動(dòng)裝置的制動(dòng)力評(píng)估目的是在考慮到基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下,評(píng)估風(fēng)阻板在制動(dòng)時(shí)合理的開啟角度。在網(wǎng)格劃分時(shí),根據(jù)制動(dòng)板周圍流場(chǎng)特點(diǎn),對(duì)制動(dòng)板附近區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理,以確保網(wǎng)格尺寸大小足夠反應(yīng)流場(chǎng)的變化。網(wǎng)格采用六面體網(wǎng)格,同時(shí)壁面設(shè)置邊界層網(wǎng)格,總網(wǎng)格量約為530萬。計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口邊界條件,速度為350/380/400 km/h 3種工況,出口為壓力出口邊界條件,列車外表面設(shè)置為壁面,采用k-ε湍流模型。
圖6 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置強(qiáng)度模態(tài)分析
“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置提供的氣動(dòng)力如表1所示。從表中可見,隨著車速的增加,制動(dòng)板提供的阻力和升力均增加;相同速度下開啟60°制動(dòng)板提供的氣動(dòng)阻力略大于開啟75°,但制動(dòng)板開啟75°的氣動(dòng)升力比開啟60°減少了54%左右。
表1 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置制動(dòng)板提供的氣動(dòng)力
圖7顯示了列車中間截面(y=0)的速度矢量、速度和壓力云圖。從速度矢量圖可見,撞擊制動(dòng)板前面的氣流在板的前和壁面間形成渦流并由側(cè)面順向流過,同時(shí),氣流在制動(dòng)板的上方躍起并加速,從制動(dòng)板的端部順流形成分離剪切層。從速度云圖可見,順流制動(dòng)板上部附近區(qū)域內(nèi)流體達(dá)到最大速度,從制動(dòng)板四周端部的分離剪切層在制動(dòng)板的后方形成渦流,隨后順向渦流崩潰、擴(kuò)散并隨之在車頂壁面再附著,從而影響制動(dòng)板后方很長距離內(nèi)的流場(chǎng)。因此,列車上布置多個(gè)風(fēng)阻制動(dòng)裝置時(shí)需要考慮制動(dòng)板之間的串聯(lián)干涉。從壓力云圖可見,板上部區(qū)域的靜壓最大,制動(dòng)板周圍的壓力場(chǎng)呈現(xiàn)由制動(dòng)板向外輻射的特性,板前基本是正壓區(qū),而板后近場(chǎng)區(qū)域?yàn)樨?fù)壓區(qū)。
圖7 列車y=0截面
多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置的制動(dòng)力評(píng)估目的主要在評(píng)估風(fēng)阻板之間的干涉作用。流場(chǎng)內(nèi)制動(dòng)板附近粒子撞擊的流線圖和多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置車頂布置時(shí)的速度云圖如圖8所示。從圖可見,由于制動(dòng)板對(duì)空氣的阻擋作用,有的粒子撞擊制動(dòng)板以后從板的側(cè)端經(jīng)過繞流到板的后方,有的粒子撞擊制動(dòng)板以后則從板的上端經(jīng)過繞流到板的后方。無論粒子擾流路徑,氣流都在制動(dòng)板后存在加速、減速、再加速的過程。從速度云圖可見,順流制動(dòng)板上部附近區(qū)域內(nèi)流體達(dá)到最大速度,從制動(dòng)板四周端部的分離剪切層在制動(dòng)板的后方形成渦流,順向渦流的崩潰、擴(kuò)散并隨之在車頂壁面再附著,制動(dòng)板形成的渦流將影響制動(dòng)板后方很長距離內(nèi)的流場(chǎng)。因此,速度云圖表明列車上布置多個(gè)風(fēng)阻制動(dòng)裝置制動(dòng)板之間存在串聯(lián)干涉。
圖8 風(fēng)阻制動(dòng)裝置干涉計(jì)算
介紹了一種基于某型速度400 km/h高速列車開發(fā)的 “蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置, 綜合以上各部分分析的內(nèi)容,我們得到結(jié)論如下:
(1)相對(duì)傳統(tǒng)的風(fēng)阻制動(dòng)裝置,“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置可以實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化的設(shè)計(jì)目的,能夠較少的占用車體空間,且不會(huì)增加列車正常運(yùn)行時(shí)的阻力。
(2)該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置響應(yīng)時(shí)間快,從接到制動(dòng)指令到風(fēng)阻板達(dá)到90%制動(dòng)位角度的時(shí)間在1 s以內(nèi),其響應(yīng)時(shí)間小于空氣制動(dòng),可明顯減少列車空走距離。
(3)在速度350 km/h以上的工況,列車運(yùn)行方向第一塊風(fēng)阻板可產(chǎn)生2 kN以上的風(fēng)阻制動(dòng)力;在速度400 km/h時(shí),列車運(yùn)行方向第一塊風(fēng)阻板可產(chǎn)生接近3 kN的風(fēng)阻制動(dòng)力。通過在車頂合理布置安裝多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置,可以對(duì)列車緊急制動(dòng)力給予可觀的補(bǔ)充。
(4)當(dāng)車頂布置多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置時(shí),各制動(dòng)板之間存在干涉現(xiàn)象,制動(dòng)板之間距離越近,干涉現(xiàn)象越明顯,干涉作用越強(qiáng)。對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)裝置在高速列車運(yùn)行流場(chǎng)中的布置方案和干涉問題,將在今后的工作中進(jìn)一步深入研究。
綜上所述,文中提出的“蝶形”風(fēng)阻制動(dòng)裝置充分利用了高速列車行駛時(shí)的空氣制動(dòng)力,質(zhì)量較輕,結(jié)構(gòu)較簡單,通過在車頂合理布置,可將風(fēng)阻制動(dòng)力分散于整車,為列車緊急制動(dòng)時(shí)提供可觀的制動(dòng)力補(bǔ)充,從而達(dá)到減小緊急制動(dòng)距離的目的。